3D編織技術(shù)提升宇宙飛船和賽車性能

3D編織技術(shù)提升宇宙飛船和賽車性能

3D Weaving Technology Strengthens Spacecraft, Race Cars

起源于幾千年前的編織工藝技術(shù)催生了美國國家航空航天局（NASA）“獵戶座”飛船上一些最尖端的技術(shù)，或?qū)⒃谟詈絾T往返火星的路途中為其提供熱防護(hù)。

當(dāng)“獵戶座”飛船脫離地球軌道，向太空深處進(jìn)發(fā)時(shí)，其速度必須足夠快，這會(huì)產(chǎn)生大量的熱量；同樣，當(dāng)其返回地球時(shí)，也是一路疾馳，當(dāng)飛船再入地球大氣層并減速至安全著陸時(shí)，其會(huì)與大氣層摩擦產(chǎn)生高溫。

對(duì)于“獵戶座”的設(shè)計(jì)工程師來說，“獵戶座”飛船熱防護(hù)系統(tǒng)每個(gè)部分的制造都特別具有挑戰(zhàn)性：其不僅要具有優(yōu)異的隔熱性能，還要具有很高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。NASA埃姆斯研究中心3D多功能燒蝕熱（3D-MAT）防護(hù)系統(tǒng)的技術(shù)主管、材料工程師杰伊·費(fèi)爾德曼（Jay Feldman）解釋說：“大多數(shù)的熱防護(hù)系統(tǒng)采用低密度的材料制成，這些材料具有良好的隔熱性能，能夠起到較好的熱防護(hù)作用，但是，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低。但是，在熱防護(hù)系統(tǒng)的表面上，有一些部位必須將乘員艙及其服務(wù)模塊連接起來，并最終連接到火箭上。在這些部位，就必須使用結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高且非常堅(jiān)固的材料?！?/p>

研究人員采用鋼和碳纖維復(fù)合材料開發(fā)了一種圓盤狀的連接材料，稱為“壓縮板”，用于2014年底開展的“獵戶座”首次低地球軌道測(cè)試飛行。但不幸的是，這種“壓縮板”的隔熱性能不足。杰伊·費(fèi)爾德曼說：“對(duì)于‘獵戶座’首次飛行測(cè)試而言，其熱傳導(dǎo)情況還是可控的，但是，一旦要開展更遠(yuǎn)距離的太空探索，或者飛船要以更快的速度返回大氣層，溫度會(huì)變得更高，這種熱防護(hù)板向飛船傳遞的熱量就會(huì)過多，從而造成飛船過熱，威脅宇航員和設(shè)備的安全?！?/p>

幸運(yùn)的是，埃姆斯研究中心的杰伊·費(fèi)爾德曼和其他工程師已經(jīng)與高科技紡織企業(yè)美國Bally Ribbon Mills公司開展了合作，聯(lián)合研發(fā)新一代熱防護(hù)材料。雙方通過合作，將傳統(tǒng)的梭織機(jī)編織技術(shù)升級(jí)成適應(yīng)新時(shí)代需求的技術(shù)，并開發(fā)了一種3D編織石英纖維復(fù)合材料。研究人員很快意識(shí)到，這種材料非常適用于制作“獵戶座”飛船的熱防護(hù)“壓縮板”。

與此前采用二維編織材料疊層制造的“壓縮板”不同，埃姆斯研究中心和Bally Ribbon Mills公司的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，采用3D編織復(fù)合材料具有更大的優(yōu)勢(shì)。杰伊·費(fèi)爾德曼解釋說：“由3個(gè)方向編織而成的纖維結(jié)構(gòu)非常牢固，同時(shí)，研究人員還能夠?qū)@種復(fù)合材料的成分進(jìn)行調(diào)整，降低其熱傳導(dǎo)系數(shù)，獲得更好的隔熱性能?！?/p>

Bally Ribbon Mills公司位于美國賓夕法尼亞州巴利市，是美國領(lǐng)先的高科技二維和三維紡織品制造商，其客戶包括美國空軍、一級(jí)方程式賽車隊(duì)和生物醫(yī)藥公司等。該公司是NASA“獵戶座”熱防護(hù)系統(tǒng)項(xiàng)目的理想合作伙伴。

NASA進(jìn)入系統(tǒng)和技術(shù)部的項(xiàng)目經(jīng)理和首席技術(shù)專家Ethiraj Venkatapathy說：“在NASA，我們開展了很多方面的專業(yè)研究，積累了大量的科學(xué)知識(shí)，但尚未開展紡織技術(shù)方面的研究。紡織技術(shù)是一門古老的藝術(shù)，紡織工業(yè)的歷史比NASA的歷史要長(zhǎng)得多。”

Bally Ribbon Mills公司的紡織技術(shù)可以追溯到1923年，是一家以編織絲綢帽帶起家的家族企業(yè)。Bally Ribbon Mills公司的第四代經(jīng)營者馬克·哈瑞思（Mark Harries）解釋說：“當(dāng)初，祖輩創(chuàng)業(yè)時(shí)只是想開創(chuàng)一項(xiàng)事業(yè)，生產(chǎn)的是當(dāng)時(shí)流行的材料——絲綢。家族的第二代——我的曾祖父接手公司后，繼續(xù)開拓業(yè)務(wù)，開始使用人造纖維進(jìn)行紡織。隨著紡織行業(yè)的不斷進(jìn)步，許多紡織廠家轉(zhuǎn)移到海外，附近的紡織工廠不斷關(guān)閉，但Bally Ribbon Mills公司始終在進(jìn)步。隨后，家族的第三代——我的父親和我的表兄弟接手了公司。公司開始采用新的纖維材料、新的機(jī)械設(shè)備制造更多的產(chǎn)品。自此，我們也開始雇傭工程師，以及使用計(jì)算機(jī)來追蹤和記錄生產(chǎn)和銷售數(shù)據(jù)。也是在那時(shí)，Bally Ribbon Mills公司找到了自己的定位。為了保持公司的發(fā)展和經(jīng)營勢(shì)頭，公司開始越來越多地開展小批量、定制化的產(chǎn)品開發(fā)業(yè)務(wù)，如與NASA合作開展的項(xiàng)目等?！?/p>

借助于來源于埃姆斯研究中心的種子基金，NASA和Bally Ribbon Mills公司開始為熱防護(hù)系統(tǒng)構(gòu)建3D編織原型。在早期研發(fā)取得了進(jìn)展和突破后，Ethiraj Venkatapathy和杰伊·費(fèi)爾德曼從NASA空間技術(shù)任務(wù)理事會(huì)和小企業(yè)創(chuàng)新研究計(jì)劃（SBIR）獲得了額外的資金支持。當(dāng)NASA和Bally Ribbon Mills公司意識(shí)到該項(xiàng)技術(shù)能夠解決“獵戶座”飛船的“壓縮板”問題時(shí)，NASA的“改變游戲規(guī)則的技術(shù)發(fā)展計(jì)劃”也為其提供了資金支持。

Bally Ribbon Mills公司的高級(jí)紡織工程師Curt Wilkinson解釋說：“NASA所需的織物比Bally Ribbon Mills公司以往生產(chǎn)的紡織品的厚度更大。Bally Ribbon Mills公司生產(chǎn)的紡織品的極限厚度是5.08cm，而NASA需要的織物的厚度要達(dá)到7.62cm，因此，我們需要改進(jìn)紡織工藝，設(shè)計(jì)特殊的紡織設(shè)備，以獲得滿足要求的產(chǎn)品。NASA還要求在3個(gè)方向上都有相同數(shù)量的纖維，以提高抗壓強(qiáng)度?！?/p>

Bally Ribbon Mills公司與NASA的合作，以及研發(fā)出的材料在NASA獲得了一系列的好評(píng)。NASA局長(zhǎng)查爾斯·博爾登在2015年1月訪問了這家工廠，并對(duì)他們的工作進(jìn)行了肯定。他稱：“從現(xiàn)在開始，奔向火星的道路是通過Bally Ribbon Mills公司實(shí)現(xiàn)的?！?/p>

Bally Ribbon Mills公司采用的技術(shù)稱為“3D正交編織工藝”，在這種技術(shù)中，纖維在3個(gè)方向上相交垂直，且是完全垂直的。杰伊·費(fèi)爾德曼說：“這是目前能夠生產(chǎn)出的最牢固的3D織物技術(shù)?！?/p>

Curt Wilkinson說：“這些纖維由絕熱性能優(yōu)異的石英制成，并同時(shí)擁有良好的介電性能，能夠傳輸電信號(hào)。其最終產(chǎn)品類似于磚塊，但其中包裹了許多纖維。在其開發(fā)過程中，很多時(shí)候，我們不確定是否能夠編織出滿足要求的纖維材料。這些纖維材料編織完成后，就會(huì)被送到另一家公司，注入樹脂進(jìn)行固化，并將編織留下的孔洞填滿，獲得纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，然后再加工成最終的形狀?！?/p>

Ethiraj Venkatapathy說：“這種3D復(fù)合材料的設(shè)計(jì)非常精巧，可作為結(jié)構(gòu)材料使用，可作為熱防護(hù)系統(tǒng)使用，也可作為振動(dòng)吸收材料，還可承受負(fù)荷。我認(rèn)為，這種材料及其設(shè)計(jì)工藝具有廣泛的用途。該材料已在一個(gè)非常復(fù)雜的領(lǐng)域獲得了應(yīng)用驗(yàn)證，通過簡(jiǎn)單的方案改進(jìn)，滿足了項(xiàng)目要求。在用于執(zhí)行載人火星探索和其它復(fù)雜的載人探索任務(wù)的同時(shí)，我們還可以將其擴(kuò)展應(yīng)用于其它領(lǐng)域?！?/p>

“獵戶座”飛船的設(shè)計(jì)師已經(jīng)在探討飛船上其它可能使用3D-MAT材料的部位。除了NASA，政府機(jī)構(gòu)和航空航天企業(yè)，包括美國國防部，也對(duì)熱防護(hù)系統(tǒng)產(chǎn)生了興趣。杰伊·費(fèi)爾德曼指出：“基于與NASA合作開展的這項(xiàng)工作，這些機(jī)構(gòu)和企業(yè)已經(jīng)在資助Bally Ribbon Mills公司發(fā)展新的項(xiàng)目?！?/p>

為NASA“獵戶座”研發(fā)開展的工作，也擴(kuò)充了Bally Ribbon Mills公司的產(chǎn)品線，使得該公司能夠向其長(zhǎng)期客戶提供目前使用更為廣泛的材料，如碳纖維材料，因?yàn)樵摴驹O(shè)計(jì)的新設(shè)備能夠進(jìn)行厚度更大、密度更高的纖維編織工作。例如，一級(jí)方程式公司正在評(píng)估Bally Ribbon Mills公司的樣品，他們認(rèn)為：“該技術(shù)擴(kuò)展了3D正交編織技術(shù)能夠制造的部件的尺寸。過去，該技術(shù)的紡織厚度極限為5.08cm，而目前7.62cm的厚度則為汽車應(yīng)用提供了更多機(jī)會(huì)。”

雖然該技術(shù)在高科技外衣包裹下的核心工藝仍與20世紀(jì)20年代使用的梭織機(jī)的原理相同，但這仍是一種發(fā)展。因?yàn)椋谫e夕法尼亞州中部的大部分紡織廠已經(jīng)倒閉的情況下，該公司仍保留著近300個(gè)工作崗位。Curt Wilkinson說：“紡織工藝歷史悠久，已經(jīng)延續(xù)了上千年。在傳統(tǒng)紡織工藝基礎(chǔ)上，我們引入了現(xiàn)代電子元件，并建立和整合了公司自主研發(fā)的收線加工系統(tǒng)。通過采用這種古老的紡織工藝，我們現(xiàn)在正在編織用于火星探索的纖維材料?！?/p>

(唐 甜)